-
Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mittels Glimmentladung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Oberflächenbehandlung von
mit Bohrungen und/oder kanalförnigen Vertiefungen versehenen Werkstücken mitteis
elektrischer Glimmentladung in einem Rezipienten, in dem mindestens zwei Werkstücke
voneinander isoliert angeordnet sind und jedes der Werkstücke mit einem Pol einer
Wechselspannung verbunden ist. und die Bohrungen bzw. Kanäle gegenüber den Werkstücken
isoliert angeordnete Innenelektroden aufweisen.
-
Bei der Glimmentladung werden die Moleküle eines unter vermindertem
Druck stehenden Gases durch StoB-ionisation
und durch elektronenstoßinduzierte
Fragmentierung gespalten und ionisiert. Die dabei gebildeten Ionen, geladene Radikale
und Atome werden durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen mit hoher kinetischer
Energie auf der Elektrodenoberfläche auf und rufen hier physikalische und chemische
Veränderungen hervor. Einer Anwendung dieser Wirkungen der Glimmentladung auf technische
Fertigungsprozesse, insbesondere auf die Oberflächenbehandlung von Werk-Zeit stücken
stand iLnge-/die Neigung der Glimmentladung im Wege, bei einer Steigerung der Entladungsleistung
bis zu den bei technischen Fertigungsprozessen erforderlichen Werten in die unter
diesen Entladungsbedingungen stabilere Bogenentladung überzugehen.
-
Eine genaue Untersuchung dieses Überganges der Glimmentladung zur
Bogenentladung führte zu der Erkenntnis, daß die Zusammenschnürung der Glimmentladung
zu einer Bogenentladung an denjenigen Stellen der Kathodenoberfläche stattfindet,
an denen infolge von Schmutz, mechanischen Aufrauhungen oder dergl. die-Elektronenaustrittsarbeit
stark herabgesetzt ist.
-
Dies führte zu dem Schluß, daß der tbergang der Glimmentladung zur
Bogenentladung verhindert werden kann, wenn man die Kathodenoberfläche außerordentlich
sorgfältig
reinigt und"homogenisiert"so daß d. ie Blektronenaustrittsarbeit
über die gesamte Kathodenoberfläche weitgehend konstant ist. Damit gelang der wesentliche
Durchbruch der Glimmentladungstechnik.
-
In der Polgezeit wurde die Glimmentladung bei mannigfachen technischen
Pertigungsprozessen angewandt.
-
Der Homogenisierungsprozeß besteht darin, daß man das Werkstück nach
einer sorgfältigen mechanischen Reinigung einem Vorglimmprozeß bei niedriger Glimmleistung
unterwirft. Insbesondere wenn man dieses Abglimmen der Kathodenoberfläche in einer
Wasserstoffatmosphäre durchführt, werden sämtliche Verunreinigungen, auch die vorhandenen
Sauerstoffschichten weitestgehend entfernt.
-
An den VorglimmprozeB-schließt sich die eigentliche Glimmbehandlung
an. Dabei kann die Glimmleistung außerordentlich stark gesteigert werden, ohne daß
ein Ubergang zu einer Bogenentladung zu befürchten wäre.
-
Es handelt sich bei dieser so erzielten leistungsstarken Glimmentladung
um einen gegenüber der Bogenentladung energetisch ungünstigen metastabilen Vorgang.
Diese geht jedoch nicht in die stabilere Bogenentladung über,
da
ein solcher Ubergang nicht spontan erfolgt und eine Induzierung des Ubergangs wegen
der außerordentlich gleichmäßigen Oberfläche der Kathode ausbleibt.
-
Es sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen zur technischen
Anwendung dieser so erzeugten leistungsstarken Glimmentladungen vorgeschlagen worden.
Dabei wird im allgemeinen das zu beglimmende Werkstück als Kathode an eine Gleichstromquelle
angeschlossen ; die Wandung des Rezipienten für die Gasentladung dient als Anode.
Bei genügend groBer Stromstärke und niedrigem Druck bedeckt das negative Glimmlicht
der Glimmentladung die gesamte Kathodenoberfläche, wobei die Form des als Kathode
geschalteten MrerkstUckes im allgemeinen keine wesentliche Rolle spielt.
-
Diese Regel wird jedoch bei Hohlkörpern durchbrochen, deren Innenoberflächen
beglimmt werden sollen.
-
Das Beglimmen der Innenflächen kurzer weitlumiger Kanäle gelingt noch
auf relativ einfache Weise durch eine Erhöhung des Gasdruckes im Entladungsraum.
Durch eine solche Druckerhöhung verkleinern sich nämlich alle Entladungszonen außer
dem Paradayschen Dunkelraum (eine positive Säule tritt in großvolumigen Entladungsräumen
nicht auf-). Das negative Glimmlicht
wandert demgemäß bei einer
Druckerhöhung näher an die Kathode heran und kann oberhalb eines bestimmten Druckwertes
auch in einen Kanal vorgegebener Weite eindringen. Dadurch wird der für die Glimmentladung
wesentliche Bereich des Kathodenfalls, der zwischen Kathode und negativem Glimmlicht
liegt, in den Kanal hineinverlegt, so daß eine Entladung auch dort stattfinden kann.
-
Druckerhöhungsmaßnahmen reichen nicht mehr aus, sobald die Länge
des Kanals größer ist als das Zehnbis Zwanzigfache von dessen Innendurchmesser.
Dies ist insbesondere bei den langen und engen Bohrungen der Fall, wie sie bei Gewehr-und
Geschützläufen vorhanden sind. Vielfach werden sogar schon solche Kanäle nicht ausreichend
beglimmt, deren Länge mehr als das Doppelte des Durchmessers beträgt. Die Erklärung
dieser Erscheinung liegt darin, daß zu dem bei normalen Glimmentladungen vorhandenen
Potentialgefälle im Bereich zwischen dem negativen Glimmlicht und der Anode noch
ein die Elektronen zum offenen Kanalende treibendes Poten-. tialgefälle im Inneren
des kathodischen Kanals erforderlich ist.
-
Dieeer Potentialabfall ist nun
von einer bestimmten
Stelle im Inneren des kathodischen Kanals an
so groß, daß die verbleibende Spannung nicht mehr zum Aufbau des für die Glimmentladung
wesentlichen Kathodenabfalls ausreicht.
-
Zur Behebung dieser Schwierigkeit wurde vorgeschlagen, in dem Inneren
des kathodischen Kanals eine Hilfselektrode in Form eines Metallstabs oder dergl.
anzubringen, der von der Kathode vollkommen isoliert und als Anode geschaltet sein
muß. Diese Hilfselektrode sorgt dafür, daß entlang dersgesamten Kanalachse ein einheitliches
Potential herrscht, welches überall ausunterhalten reicht, die Glimmentladung zu
Die Entladung findet jetzt, vorausgesetzt daB der Gasdruck genügend hoch ist, entlang
der gesamten Kanallänge gleichmäßig statt.
-
Bei den frühen. Versuchen zur Realisierung technischer Glimmprozesse
wurden-ausschließlich Gleichspannungsquellen verwendet. Da zur Auslösung der Glimmentladung
hohe Spannungen erforderlich sind, waren daher kostspielige und aufwendige Hilfageräte
zur Gleichrichtung hochgespannter Wechselströme erforderlich.
-
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Glimmentladung mit einer'.'{eahselspannung
zu betreiben, um die aufwendigen Gleichrichtungsaggregate einzusparen.
-
Gleichzeitig entstanden jedoch erhebliche Komplikationen infolge der
rasch wechselnden Umpolarisierung der Elektroden. Diese Schwierigkeiten traten-in
erhöhtem Maß bei der Glimmbehandlung von Hohlkörpern auf, da-hierbei die im Inneren
des Hohlkörpers erforderliche Hilfselektrode abwechselnd anodisches und kathodisches
Potential erhält. Die Hilfselektroden werden dabei während denjenigen Zeiten, in
denen sie kathodisches Potential aufweisen, durch Kathodenzerstäubung abgetragen.
-
In erhöhtem masse besteht diese Gefahr bei sehr dünnen Hilfselektroden
in Form von gespannten Drähten, die immer dann erforderlich sind, wenn Hohlkörper
mit langen, dünnen Kanälen beglimmt werden müssen. Infolge der stark ge'-rümmten
Oberfläche der dünnen drahtförmigen Hilfselektroden ist nämlich die Dichte der aus
der Hilfselektrodenoberfläche radial austretenden Feldlinien derart groß, daß eine
Materialzerstäubung in erheblich stärkerem Maße auftritt, als bei Kathoden mit Oberflächeii
geringer Krümmung. Durch diese starke Beanspruchung der Hilfselektroden bei Wechselstrombelastung
werden die mechanischen Eigenschaften, insbesondere durch
Kerbspannungen,
beeinträchtigt, was häufig zum Bruch der Innenelektroden und dadurch zu Betriebsstörungen
der Anlage führt. Es war daher in all den Fällen, in denen lange, dünne Kanäle an
der Kanalinnenwandung beglimmt werden sollten, nicht möglich, die Glimmanlage direkt
mit Wechselstrom zu speisen. Die erforderlichen Gleichrichtungsaggregate machten
den FertigungsprozeB aber äuß. erst unwirtschaftlich.
-
Es ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem ein Teil der Glimmentladungsleistung
einer Wechselspannungsquelle entnommen wird. Bei diesem Verfahren werden zwischen
den Innenelektroden und den jeweils zugeordneten Werkstücken Gleichstromentladungen
und zwischen den Werkstücken untereinander Wechselstromentladungen erzeugt, wobei
die Wechselstromentladungen in erster Linie zur Aufheizung der Werkstücke dienen
sollen. Es sind jedoch auch bei diesem Verfahren zur Aufrechterhaltung der für den
Vergütungsprozeß im Rohrinneren erforderlichen Glimmentladung Gleichrichteraggregate
erforderlich, wenngleich diese weniger aufwendig sind.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Oberflächenbehandlung
von mit Bohrungen und/oder kanalförmigen Vertiefungen versehenen jerkstücken mittels
elektrischer Glimmentladung zu schaffen, bei der auch bei längerer Betriebsdauer
keine Funktionsstörungen auftreten, obwohl die Glimmentladung ausschlieblich mit
Wechselspannung betrieben wird.
-
Bei der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe sind die Innenelektroden
so geschaltet, daß zwischen ihnen und der an den Werkstücken anliegenden Wechselspannung
keine schaltungsmäßige Verbindung besteht und sie im wesentlichen das Potential
des Plasmas der Glimmentladung aufweisen. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt,
daß bei einer solchen Anordnung die Innenelektroden praktisch nicht als Entladungskathode
wirken.-Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Innenelektroden metallisch
leitend miteinander verbunden. Dabei können auch die Innenelektroden mit dem Rezipienten
metallisch leitend verbunden sein..
-
Will man mit Einphasen-Wechselstrom arbeiten, so werden zweckmäßigerweise
die zu behandelnden Werkstücke in zwei Gruppen aufgeteilt und jede der beiden Werkstückgruppen
mit je einem Pol der, vorzugsweise regelbaren, Einphasen-Wechselspannung verbunden.
-
Soll mit Dreiphasen-Wechselstrom gearbeitet werden, so werden die
zu behandelnden Werkstücke in drei Gruppen aufgeteilt und jede der drei Werkstückgruppen
mit je einer Phase einer, zweckmäßigerweise regelbaren, vorzugsweise 500 bis 600
Volt betragenden, Dreiphasen-Wechselspannung verbunden.
-
Der Sternpunkt der Drehspannung liegt normalerweise frei. Der Rezipient
wird vorzugsweise mit Erde verbunden. Bei Verwendung von Drehstrom werden die Werkstücke
im Rezipienten vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig,
einen Rezipienten zu verwenden, der eine allgemein zylindrische Form aufweist.
-
Zur Ionitrierung der Oberfläche der Werkstücke wird im Rezipienten
eine Gsatmosphäre vorgesehen, die Stickstoff und/oder eine stickstoffhaltige Verbindung,
z. B.
-
Ammoniak, enthält. Die Gasatmosphäre im Rezipienten kann zusätzlich
Wasserstoff enthalten. Vorteilhafterweise wird dem Rezipienten partiell in Wasserstoff
und Stickstoff
gespaltenes Ammoniakgas zugeführt.
-
Eine besonders hochwertige Ionitrierschich-t erzielt man auf der
Wandung der Bohrungen bzw. Kanäle der Werkstucke, wenn man während der Behandlung
mindestens einen Teil des für die Ionitrierung erforderlichen Gases in die Bohrungen
bzw. Kanäle der Werkstücke einleitete Zu diesem Zweck verwendet man rohrförmige
Innenelektroden, die als Zuführung von für die Ionitrierung erforderlichen Gases
zu den Bohrungen bzw. Kanälen dienen. PUr die Gaszuleitung zu den einzelnen Innenelektroden
ist im mittleren Bereich des Rezipientendeckels eine isoliert angeordnete Gasverteilungsspinne
vorgesehen, mit der die rohrförmigen Innenelektroden mittels Gasverbindungsleitungen
verbunden sind. Wenn die Gasverteilungsspinne und die Gasverbindungsleitungen aus
Metall bestehen, so ist auf einfache Weise auch die elektrische Verbindung der Innenelektroden
untereinander hergestellt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innenelektroden etwa
bis zur halben Tiefe bzw. Länge der Bohrungen bzw. Kanäle rohrförmig ausgebildet,
wobei
etwa am Ende des rohrförmigen Abschnitts radiale Austrittsbohrungen
für den Gasaustritt vorgesehen sind.-Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung
des aus den Austrittsbohrungen ausströmenden Gases ist eine vorzugsweise glockenformige
Gasverteilungshülse vorgesehen, welche die Innenelektroden im Bereich der radialen
Austrittsbohrungen mit Abstand umgibt. Vorzugsweise wird durch ein Gasumlaufsystem
mit einer Vakuumpumpe und Druckregelventilen dafur Sorge getragen, daß ira Rezipienten
während der Behandlung ein Gasdruck von 1 bis 10 torr, vorzugsweise 3, 5 torr, aufrecht
erhalten bleibt. «
Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher-erläutert.
-
Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit Dreiphasen-Wechselstrom
gespeisten erfindungsgemäß ausgebildeten Glimmentladungsanlage, Fig. 2 den mittleren
Bereich eines zu behandelnden Rohres, das mit einer erf ausgebildeten Innenelektrode
versehen ist, im Längsschnitt, Fig. 3 die Aufhängung der zu behandelnden Rohre am
Deckel des Rezipienten in perspektivischer Darstellung, Fig. 4 eine schematische
Darstellung ähnlich Fig. 1, jedoch für eine Speisung mit Einphasen-Wechselstrom.
-
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ionitrieranlage wird mit 50
Herz Dreiphasen-Wechselstrom betrieben. Die Speisung erfolgt über einen allgemein
mit 10
bezeichneten Drehs-trostransformator mit drei Primärwicklungen
12, deren Bingangsklemmen 14 an das Drehstromnetz oder eine andere Drehstromquelle
angeschlossen werden. Der Transformator 10 ist so ausgelegt, daß an jeder der drei
Sekundärwicklungen 16 eine Spannung von etwa 500 Volt erzeugt wird. Jede Sekundärwicklung
16 weist einen regelbaren Abgriff 18 auf, mit dessen Hilfe die den Sekundärwicklungen
entnommene Spannung variiert werden kann. Die Agriffe 18 sind über Leitungen 20,
22, 24 mit zu behandelnden Rohren 26, 28, 30 verbunden. Diese Rohre 26, 28, 30 sind
in einem durch strichpunktierte Linien dargestellten Rezipienten 34 isoliert angeordnet.
Die Zeitungen 20, 22 und 24 sind isoliert durch die Wandung des Rezipienten 34 hindurchgeführt.
Im Inneren der drei zu behandelnden Rohre 26, 28, 30 sind Innenelektroden 38 zentrisch
angeordnet. Diese Innenelektroden sind von den sie umgebenden-Metallrohren durch
Spaltieolatoren 42 isoliert, die in Fig. 3 dargestellt sind. Die Innenelek-. troden
HKi, 38
stellen sogenannte neutrale Elektroden dar, da sie mit der dem Rezipienten zugveführten
Spannung nicht in direkter elektrisch leitender Verbindung stehen. Die Innenelektroden
38 sind durch eine Verbindungsleitung
44 miteinander verbunden.
Sie können auch zusätzlich mit dem Rezipientengehäuse verbunden sein. In der Praxis
wird man in einem Rezipienten im allgemeinen nicht drei sondern sechs, neun oder
zwölf Rohre anordnen und die Sekundärwicklungen des Drehstromtransformators jeweils
mit einer Gruppe von zwei bzw. drei odervier der zu behandelnden Rohre verbinden.
In Fig. 3 ist eine Anordnung mit insgesamt sechs Rohren dargestellt, von denen jeweils
zwei gemeinsam m mit einer Sekundärwicklung des Drehstromtransformators 10 verbunden
sind. Die. Zahl der in einer Charge bearbeitbaren Rohre ist lediglich durch die
Abmessungen des Rezipienten und durch den Raumbedarf der Rohre selbst begrenzt.
-
Wie aus Fig. 3. ersichtlich, sind die eine Charge bildenden sechs
Rohre 26, 26', 28, 28', 30, 30', mittels einer allgemein mit 46 bezeichneten Aufhängevorrichtung
an dem Rezipientendeckel 32 befestigt. Die Aufhängevorrichtung 46 umfaßt drei Halteplatten
48, 50 und 52.
-
Diese tragen an ihren Unterseiten je zwei Ösen 54, in welche die Rohre
mittels Haken 60 eingehängt sind. Diese Haken sind mit 4-e-A Kopfstücken 66 am oberen
Ende der Rohre fest verbunden. In diese Kopfstücke 66 sind die
Spaltisolatoren
42 fest eingesetzt. Jeder der Spaltisolatoren 42 weist eine genau zentrierte axiale
Bohrung auf, durch welche die Innenelektroden 38 hindurchgefiihrt sind. Die Innenelktroden
38 weisen an ihrem oberen Ende Außengewinde auf und sind mittels Muttern 68 fest
mit den Spaltisolatoren verschraubte Im unteren Bereich der zu behandelnden Rohre
sind Fußstücken 67 und die Innenelektroden 38
-mittels/Spaltisolatoren 43 gehalten
: Es kann vorteilhaft sein, das untere. Ende der Innenelektroden mit Außengewinde
zu versehen, so daß dieselben mittels Muttern gespannt werden können, um sie genau
zentrisch und geradlinig im Innern der Rohre auszurichten.
-
Die Halteplatten 48, 50, 52 sind jeweils mittels zwei Aufhängungen
70 und einer Stromdurchführung 72 am Rezipientendeckel 32 befestigt. Sowohl die
Aufhängungen 70 wie die Stromdurchführungen 72 sind mittels Spaltisolatoren 74 gegenüber
dem Rezipientendeckel 32 isoliert. Jede Stromdurchführung 72 ist mit einem Abgriff
18 der Sekundärwicklungen 16 des Drehströmtransformators 10 verbunden (Fig. l).
-
Während des Betriebs wird ein vorbestimmter Ammoniakgasdruck in dem
Rezipienten aufrecht erhalten.
-
Die Zufuhr von Ammoniak zum Rezipienten erfolgt über einen nicht
dargestellten Kreislauf mit Druckminderventilen und Vakuumpumpe. Durch diesen Kreislauf
wird auch der Druck im Rezipienten gesteuert. Ferner wird in das Innere der Rohre
Ammoniak geleitet. Hierzu wird 'Ammoniakgas mit einem Druck von etwa 100 torr über
eine Gasdurchführung 76 gepumpt, welche durch den mittleren Bereich des Rezipientendeckels
32 hindurchgeführt und mittels eines Spaltisolators 68 gegen den Rezipientendekkel
elektrisch isoliert ist. Am unteren Ende der Gasdurchführung 76 ist eine Gasspinne
80 mit sechs Gasauslassen angeordnet. Jeder der Gasauslässe ist über einen biegsamen
Metallschlauch 82 und eine Kappe 84 mit dem oberen Ende einer der neutralen Innenelektroden
38 verbunden.
-
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bestehen die neutralen Innenelektroden
38 aus je einem oberen rohrformigen Elektrodenteil 90 und einem unteren massiven
Elektrodenteil 92. Beide sind fest miteinander verschraubt. Das Ammoniakgas strömt
von dem GasdurchlaBrohr 76 durch die Gasspinne 80, die biegsamen Metallschläuche
82, über die Kappen 84 in den oberen rohrformigen Elektrodenteil 90. In der Nähe
der Schraubverbindung zwischen den beiden Elektrodenteilen 90 und 92 weist das Rohr
90 vier radiale Bohrungen 94 auf, durch die das Ammoniakgas in
den
Rohrinnenraum 96 gelangt. Eine Hülse 98 lenkt das aus den Bohrungen 94 ausströmende
Ammoniakgas entlang der Innenelektrode nach unten und bewirkt eine gleichmaBige
Verteilung des Gases.
-
Im folgenden soll die Wirkungsweise der erfindungagemäßen Anordnung
beschrieben werden.
-
Die zu behandelnden Rohre 26, 26', 28, 28', 30, 30', werden in der
oben beschriebenen Weise am Rezipientendeckel 32 aufgehängt, und mit den Gaszuführungen
verbunden. Die Rohre werden sodann in den Rezipientenbehälter 34 eingehängt, wobei
der obere Rand des Rezipienten in eine auf der Unterseite des Rezipientendeckels
32 ausgebildete Ringnut 100 eingreift.
-
. Vor der=eigentlichen Glimmbehandlung wird ein Vorglimmprozeß durchgeführt.
-
Der Vorglimmprozeß wird zweckmäßigerweise in einer Wasserstoffatmosphäre
über etwa zwölf Stunden durchgeführt. Im Inneren des Rezipienten wird dabei ein
niedriger Wasserstoffdruck aufrechterhalten. Der Wasserstoffdruck
und
die an den Elektroden anliegende Spannung sind dabei so gewihlt, daß ein Übergang
zur schädlichen Bogenentladung nicht stattfindet, fahrend dieses Vorglimmprozesees
wird der Wasserstoff durch Elektronenstoß ionisiert und fragmentiert und die erzeugten
Protonen und Wasserstoffatome schlagen auf die kathodischen Werkstofflächen auf
und hydrieren hier u. a. den eingelagerben Kohlenstoff. Durch die dabei entstehenden
Zwischenräume kann bei der eigentlichen Glimmbehandlung der Nitridstickstoff in
die tieferen Rietallschichten eindringen. Vor allem aber wird bei-der Vorbehandlung
jede Art von Verunreinigung der zu behandelnden Oberflache beseitigte ebenso werden
alle scharfen Ecken, Spitzen oder dergl. abgetragen, so daß die Metalloberflache
weitgehend "homogenisiert" wird und sich bei der nachfolgenden leistungsstarken
Glimmentladung beim Ionitrieren fiir eine Bogenentladung keine Ansatzpunkte mehr
vorhanden sind.
-
Nach dieser Vorbehandlung-und nach Be. seitigung aller Unvollkommenheiten
der Oberflächenschicht bedeckt das Glimmlicht die spannungsfuhrenden Flächenteile
als eine gleichmä#ige Leuchtschicht. Nunmehr wird der Wasserstoff im Innenraum des
Rezipienten durch Ammoniak ersetzt. Dabei
wird der Druck allmalich
erhöht und die Glimmentladungsleistung bis zu der für die Behandlung ervrünschten
Entlaaungsleistung gesteigert.
-
Während dieses Glimmbehandlungsprozesses werden die Ammoniakmoleküle
durch Elektronen-und Ionenstoß ionisiert und fragmentiert. Die dabei entstehenden
Radikale, Atome und Ionen treffen auf die zu behandelnde kathodische Metalloberfläche
auf, dabei diffundiert der Stickstoff in Form von Nitridionen in die tieferen Metallschichten
ein.
-
Dieser Prozeß wird durch die hohe kinetische Energie der Stickstoffionen
beim Aufprall, auf die Metalloberfläche unterstützt. Da eine Festkörperdiffusion
nur bei erhöhten Temperaturen abläuft, mu# das zu behandelnde Werkstück auf einer
vorbestimmten Behandlungstemperatur (etwa 500° C) während der Behandlung gehalten
werden. Diese Behandlungstemperatur wird durch die Glimmentladung selbst aufrecht
erhalten. Die dazu erforderliche Energie wird durch die kinetische Energie der auf
die Metalloberfläche auftreffenden Teilchen geliefert.
-
Während der Glimmentladung wird im Inneren des Rezipienten ein Plasma
erzeugt. Es stellt sich dabei entsprechend der Frequenz des Drehstroms ein pulsierendes
Raumpotentialfeld
ira Innenraum des Rezipienten ein. Die zentral im Inneren der zu behandelnden Rohre
angeordneten Hilfselektroden nehmen das an den Ausgängen der Rohre herrschende Plasmapotential
an und sorgen dafür, daß dieses Potential auch entlang den Längsachsen der Rohre
wirksam ist. Dadurch wird ein zusätzlicher Spannungsabfall im Inneren der zu behandelnden
Rohre im wesentlichen vermieden, so daß das negative Glimmlicht die Rohrinnenräume
völlig durchzie ; lt und die Innenwandungen von einer gleichmäßigen Glimmentladungsschicht
überzogen sind. Die Feldlinien verlaufen daher im Inneren der zu behandelnden Rohre
radial von den zentralen Hilfselektroden zur Innenwandung.
-
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen
Anordnung und Schaltung der Innenelektroden als neutrale Hilfselektroden ein starker"Gleichrichtungseffekt"auftritt,
und die Innenelektrode praktisch in keinem Augenblick einer Wechselstrom-Periode
als Entladungskathode wirksam wird. Die Ursache für diesen Gleichrichtungseffekt
ist nicht völlig aufgekldrt. Es darf jedoch als sicher angenommen werden,
daß
zur Erklärung dieses"Gleichrichtungseffektes"die unterschiedlichen Oberflächengrößen
der Hilfselektroden und der Innenflächen der zu behandelnden Rohre nicht ausreicht.
Wesentlich scheint vielmehr zu sein, daß die Innenelektroden das im Bereich der
oberen und unteren Offnungen der zu behandelnden Rohre vorhandene Potential des
Plasmas annehmen.
-
Durch das elektrisch leitende Plasma und gegebenenfalls durch die
Verbindungsleitung 44, die im vorliegenden Beispiel durch die Metallschläuche 82
und die Gasspinne 80 realisiert ist, sind die Innenelektroden miteinander elektrisch
verbunden und weisen daher das gleiche Potential auf.
-
Bei Drehstromspeisung hat sich als besonders günstig eine symmetrische
Anordnung der Rohre im Inneren des Rezipienten erwiesen, bei der eine dreizählige
Symmetrieachse vorliegt. Bei einer solchen Anordnung sind alle drei Rohre an äquivalenten=Stellen
angeordnet.
-
Dies garantiert eine gleichmäßige Qualität und Behandlungsgüte.
-
Werden mit der oben beschriebenen Anordnung 2 cm-Geschiitzrohre von
ca. 180 cm Länge behandelt, so haben die Innenelektroden zweckmäl3ig einen Außendurchmesser
von etwa 6 r., und einen Innendurchmesser von etwa 2 mm.
-
Die radialen Bohrungen 94 weisen etwa einen Durchmesser von 1 Illl.
i
die aus Metall bestehenden Gaszuführungsleitungen 82
etwa einen Innendurchmesser von 6 bis 8 Mi : i auf. Durch diese wird pro Rohr etwa
1, 6-2. 1/h Ai : i : : ioniakgac mit etwa 100 torr in die Innenelektroden 38 und
durch die Bohrungen 94 in das Innere der zu behandelnden Rohre gepumpt. Über einen
Druckregelventile und eine Vaku. um-pumpe aufweisenden Kreislauf wird im Rezipienten
ein Gasdruck von etwa 3, 5 torr aufrecht erhalten und die durch die Zuführung von
Ammoniak in das Innere der Rohre und durch den Ammoniakverbrauch bei der Ionitrierung,
der etwa 0, 6 Liter pro Stunde und Rohr beträgt, hervorgerufenen Knderungen werden
ausgeglichen. Bei einer gleichzeitigen Behandlung von 12 Rohren wird die Anordnung
für 35 kR angelegt und mit Drehstrom von 500-600 Volt und 50 Herz betrieben. Nach
einer Gesamtbehandlung von etwa 60 Stunden, von denen etwa 12 Stunden auf die Vorbehandlung
mit Wasserstoff entfallen, hattesichdie Harte der Rohrinnenwandung, gemessen nach
Vickersvon, 300 kp/mm2 auf 850 kp/mm2 erhöht. Die Tiefe der gehärteten Schicht betrug
etwa 0, 35 bis 0, 50 mm. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung können ca. fünfzig
Chargen
ohne Störung und Reparatur des Rezipientendeckels, der
Aufhangung uno. der Stromversorgung gefahren werden.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung der isoliert aufgehängten Hilfselektroden
ist nicht auf die Verwendung von Drehstrom begrenzt. Fig. 4 zeigt eine Anordnung,
die mit Einphasen-Wechselstrom betrieben wird. Zur Stromversorgung dient ein Wechselstrom-Transformator
110 mit einer Primärwicklung 112 und einer Sekundärwicklung 116. Die Primärwicklung
112 ist über die Anschlußklemmen 114 mit dem Wechselstromnetz verbunden. Die Sekundärwicklung
116 ist über die Verbindungsleitung 120 und den variablen Abgriff 118 mit den beiden
zu behandelnden Rohren 126 und 128 verbunden. Im Innerender Rohre 126 und 128 ist
je eine Hilfselektrode 138 isoliert angeordnet. Die Hilfselektroden 138 sind mittels
einer Verbindungsleitung 140 miteinander verbunden.
-
Ansprüche